楊立娟, 郭艷婕, 田紹華, 陳雪峰, 李 兵

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710049)

0 引 言

工程能力強(qiáng)的人才究竟如何培養(yǎng)，一直是工程教育的難題。國內(nèi)外學(xué)者對于工程人才的培養(yǎng)也有不同的探討分析[1-4]。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會在機(jī)械類專業(yè)認(rèn)證“自評報告”中要求，機(jī)械類專業(yè)要開設(shè)計算方法課程[5]。有限元方法是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計算方法[6-8]，是機(jī)械專業(yè)至關(guān)重要的課程，而計算方法是有限元的重要基礎(chǔ)之一，“新工科”也提出要建立新學(xué)科[9-10]，因此，我校機(jī)械工程學(xué)院在新版培養(yǎng)方案中確定了“工程有限元與數(shù)值計算”課程，該課程從計算方法、材料力學(xué)等基礎(chǔ)知識入手，深入淺出，讓學(xué)生抓住有限元的本質(zhì)[5]，學(xué)用結(jié)合，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。傳統(tǒng)有限元課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)只有上機(jī)，利用有限元分析軟件分析問題。但是，有限元計算的結(jié)果可靠嗎？如何利用計算結(jié)果對設(shè)計進(jìn)行修改和優(yōu)化？這兩個問題一直困擾著學(xué)生，也是指導(dǎo)教師難以解釋的問題[11]。因此，提出了以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的虛實(shí)結(jié)合的真實(shí)工程問題驅(qū)動的實(shí)驗教學(xué)項目，重在培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

1 實(shí)驗教學(xué)項目背景

本實(shí)驗項目由科研項目轉(zhuǎn)化而來，實(shí)驗對象為工程實(shí)際中的蒸壓釜開門機(jī)構(gòu)，如圖1中圓圈所示位置。蒸壓釜是一種體積龐大、質(zhì)量較大的大型壓力容器，釜門質(zhì)量高達(dá)3～4 t，在釜門重力作用下，開門機(jī)構(gòu)承受巨大載荷，整個結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致釜門難以正常開關(guān)，尤其是中間軸上應(yīng)力較大，甚至出現(xiàn)過軸斷裂事故。因此，針對蒸壓釜開門結(jié)構(gòu)在釜門重力作用下的受載情況進(jìn)行分析，將實(shí)際結(jié)構(gòu)縮小簡化為實(shí)驗?zāi)Ｐ蛽u臂軸結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實(shí)驗要求學(xué)生首先采用材料力學(xué)知識對簡化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計算，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行測繪建模，建立有限元模型，進(jìn)行有限元仿真，進(jìn)而搭建應(yīng)力應(yīng)變測試實(shí)驗系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，最后進(jìn)行綜合分析，對比分析理論計算結(jié)果、測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果。該實(shí)驗項目的目標(biāo)是讓學(xué)生通過實(shí)驗過程學(xué)習(xí)將真實(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化為力學(xué)模型和構(gòu)建合理有限元模型的方法，掌握復(fù)雜工程問題的理論分析-有限元仿真分析-實(shí)驗分析的分析方法，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化思維和解決復(fù)雜工程問題的能力。

圖1 蒸壓釜

2 應(yīng)力計算

根據(jù)圖2所示的實(shí)驗對象，軸和底座側(cè)板通過焊接固定在一起，套筒和搖臂焊接在一起，軸和套筒之間通過軸承連接，搖臂可以繞著軸旋轉(zhuǎn)，搖臂端部掛鉤處懸掛重物加載，在該結(jié)構(gòu)中軸起主要承載作用，主要對軸的受力情況進(jìn)行分析。整個結(jié)構(gòu)的受力分析見圖3，掛鉤處受垂直向下力G，根據(jù)材料力學(xué)知識可知，

由此可以看出，軸上承受載荷為彎矩和壓力，因此，套筒和底座側(cè)板中間的軸上所受最大彎曲應(yīng)力

式中：WZ為抗彎截面系數(shù)；d為軸徑；l0=0.45 m。

當(dāng)載荷G=600 N時，軸徑為30 mm處最大彎曲應(yīng)力σ=101.86 MPa，壓應(yīng)力σN=0.849 MPa，因此軸上最大應(yīng)力為102.79 MPa。

圖3 結(jié)構(gòu)受力分析

3 有限元仿真

3.1 建立有限元模型

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)在ANSYS Workbench軟件中建立有限元模型，軸的材料為45號鋼，利用六面體單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對結(jié)構(gòu)施加邊界條件，實(shí)際結(jié)構(gòu)中底座是固定的，搖臂端部掛鉤上通過重物施加載荷，因此在結(jié)構(gòu)底部施加固定約束，在搖臂掛鉤上施加垂直向下600 N載荷，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

3.2 有限元計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)受的載荷固定不變，搖臂可以繞軸轉(zhuǎn)動，有限元計算時選擇搖臂與底座側(cè)板平行的位置分析結(jié)構(gòu)的受力情況。結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 等效應(yīng)力分布

由圖5可見，結(jié)構(gòu)中受力最大的是軸，最大等效應(yīng)力值出現(xiàn)在軸靠近套筒下沿的軸肩應(yīng)力集中處，且處于搖臂正下方，軸非應(yīng)力集中處最大應(yīng)力出現(xiàn)在搖臂正下方中間處，這跟理論分析結(jié)果一致，符合實(shí)際情況。

4 應(yīng)力應(yīng)變測試實(shí)驗

4.1 搭建測試系統(tǒng)

實(shí)驗采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試。電阻應(yīng)變片利用金屬絲的應(yīng)變-電阻效應(yīng)將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電量進(jìn)行測試，即當(dāng)金屬絲沿其軸線方向受力而產(chǎn)生變形時，其電阻值也隨之發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化電量[12]。

電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變的實(shí)驗過程如下：選擇測試位置，將應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件表面，然后接入測量電路(電橋)，隨著被測件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵隨之變形，致使其電阻值發(fā)生變化，此電阻值的變化與構(gòu)件表面應(yīng)變成比例，測量電路輸出應(yīng)變片電阻變化產(chǎn)生的信號，經(jīng)過信號采集儀采集處理后直接傳輸給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本次試驗測試系統(tǒng)示意圖如圖6所示，采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司信號采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，采用應(yīng)變適配器搭建電橋電路，采用應(yīng)變片作為測試元件[13]，型號為BX120-2AA，電阻值為(120±0.2) Ω，靈敏系數(shù)為(2.08±1)%。

圖6 測試系統(tǒng)連接示意圖

應(yīng)變片粘貼是應(yīng)力應(yīng)變測試的關(guān)鍵步驟，粘貼質(zhì)量的好壞直接影響應(yīng)力測試結(jié)果[14]。本次實(shí)驗采用速干性黏貼劑進(jìn)行應(yīng)變片粘貼，在搖臂軸上豎直方向上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，同時為了減少環(huán)境溫度變化對測試結(jié)果的影響，在與軸材料相同但不受力的結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片[15]，如圖7所示。

搖臂軸結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變測量時采用應(yīng)變片半橋連接電路，如圖8所示，R1、R2為固定電阻，Rg為工作應(yīng)變片，Rd為溫度補(bǔ)償片，UAC為電壓輸入端，U0為輸出端。實(shí)驗采用應(yīng)變適配器進(jìn)行電路搭建，適配器連接工作應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片組成一個半橋電路。

圖8 半橋電路

4.2 測試過程

實(shí)驗通過在搖臂端部掛鉤上吊掛質(zhì)量已知的重物進(jìn)行施加載荷，施加載荷時保證搖臂不擺動，測試現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 實(shí)驗測試加載過程

實(shí)驗采用東華測試軟件，測量量可以設(shè)置為采集應(yīng)力或應(yīng)變。選擇測量應(yīng)力，可以采集應(yīng)變片粘貼位置的應(yīng)力值；選擇測量應(yīng)變，可以采集應(yīng)變值，每次采集信號前，要先對設(shè)備進(jìn)行清零平衡，盡量減小環(huán)境、設(shè)備等對測量結(jié)果的干擾。

5 實(shí)驗結(jié)果分析

當(dāng)載荷為600 N時測得的應(yīng)力曲線如圖10所示，從圖中可見，結(jié)構(gòu)在加載時，應(yīng)變片測得了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，有明顯的突變。

圖10 應(yīng)變片測得的應(yīng)力結(jié)果

應(yīng)變片粘貼處豎直方向應(yīng)力值為106.52 MPa。在workbench軟件中查看應(yīng)變片粘貼處等效應(yīng)力值，從圖11中可見，有限元計算的應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)力值為102.34 MPa，結(jié)果對比如表1所示。

圖11 有限元計算應(yīng)力結(jié)果

理論計算/MPa有限元計算值/MPa測試值/MPa有限元分析誤差/%測試誤差/%102.79102.34106.520.443.63

通過應(yīng)力值對比可見，豎直方向應(yīng)力的測試結(jié)果與理論計算結(jié)果的誤差為3.63%，有限元分析結(jié)果與理論計算的誤差為0.44%，說明在沒有應(yīng)力集中的部位，有限元分析和實(shí)驗測試結(jié)果準(zhǔn)確性很高，驗證了有限元模型的合理性，分析結(jié)果具有很高的可信度。

6 結(jié) 語

本實(shí)驗項目將實(shí)驗教學(xué)與科研相結(jié)合，以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，涵蓋了理論分析、有限元仿真、試驗測試等環(huán)節(jié)，學(xué)生利用理論知識對結(jié)構(gòu)的受力分析，基本掌握結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布；將工程實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有限元模型，利用有限元軟件workbench進(jìn)行仿真，能夠幫助學(xué)生抓住有限元的本質(zhì)，學(xué)用結(jié)合，掌握有限元分析方法。通過試驗測試環(huán)節(jié)，學(xué)生可以掌握分析、動手等多種綜合實(shí)驗?zāi)芰Γ憻捔藢W(xué)生的工程實(shí)踐能力。通過整個實(shí)驗項目的訓(xùn)練，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的系統(tǒng)級思維能力，鍛煉學(xué)生解決工程復(fù)雜問題的能力、自我學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊合作能力，為課程目標(biāo)的達(dá)成提供支撐。